CN101533577A

CN101533577A - 高压电学实验箱

Info

Publication number: CN101533577A
Application number: CN200910068657A
Authority: CN
Inventors: 高圣伟; 牟奎霖
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2009-09-16

Abstract

本发明涉及一种高压电学实验箱，可以作为高压的实验设备或者教学演示设备，属于教育教学仪器技术领域。利用该实验箱能进行多个不同的交直流高压放电实验，例如交流高压放电、直流高压连续放电、脉冲高压放电、高压电弧触发实验、特斯拉线圈放电实验等；此外使用者可以将其作为被控对象，自行设计进行其它实验。针对高校相关学科实验机会不足的现状，该实验箱的使用可以对理论教学起到良好的补充作用。该装置成本不高，使用方法简单，而且相对安全，适合推广使用。

Description

高压电学实验箱

技术领域

本发明涉及高校学生进行电学实验或教学演示的一种装置，特别是用于高电压的电学实验。

背景技术

我国正在进行的高压和特高压相关工程的建设，高电压大功率电源和交直流高电压特性等方面研究，有许多技术问题需要解决，包括系统研究、测试、产品研究与开发、工程设计和实施等问题.以及高压、特高压直流输电工程的电磁环境、过电压与绝缘配合、直流偏磁、控制保护系统、交直流高压的特性等方面的研究已经对于高电压领域科研人员的实践能力提出了更高的要求。

但是由于高压电学实验设备价格昂贵，实验危险性较大，控制不方便，所以试验设备很难推广，相关的实验也很难开展，因此很多学生往往只能通过观看录像或在科技展览馆中获得相关的高压电学实践知识，对高压放电的现象往往没有一个直观的印象，而自己更没有得到实践的机会。理论和实践没有很好地结合起来。

基于提高学生实践能力原则，本发明提出了一种设计简单，控制简便、灵活，低成本，安全性高，并可根据需要进行功能扩展的高压电学实验箱。该实验箱可以对于学生的高压电学理论知识和实践能力的提高有非常大的帮助。

发明内容

本发明采用一种较为简单的装置，能完成至少5个不同的高压放电方面的实验，同时，利用装置的扩展功能，可以进行多种其它高压相关实验。

本发明采用220V，50Hz市电输入，通过40W的主变压器将其变为幅值24V，频率50Hz的交流电，作为主工作电路的输入电压。高压电学实验箱内部主要包括有输出端接线柱及扩展端口(4)，其特征在于，还设置有：交直流转换开关(3)，用于选择升压控制电路(2)所产生的高电压是以直流状态输出还是交流状态输出；升压控制电路(2)，用于将从电源(1)得到的幅值为24V直流电变换为8000V～10000V交流电；

高压电学实验箱内部的交直流转换电路(3)包括有与高压生成电路(2)相连的单刀双掷开关K2，与K2b相连的高压硅堆D1，其中，所述的单刀双掷开关K2c端与升压电路(2)中行输出变压器F的输出引脚F4相连，所述的单刀双掷开关K2a端与输出端HV直接相连，所述的高压硅堆D1的正极连接单刀双掷开关K2b端，负极接输出端HV。

高压电学实验箱内部的升压控制电路(2)包括有单刀双掷开关K1、控制功能扩展接线端子B、大功率晶体管Q1、限流电阻R1和行输出变压器F。其中，所述的大功率晶体管Q1的发射极接直流电源(1)的“-”端，集电极连接行输出变压器F输入端的F3脚，基极通过电阻R1连接行输出变压器F的F1脚；行输出变压器F的F4脚为输出端，连接K2c端，行输出变压器F的F5脚接地。所述的单刀双掷开关K1c端与电源(1)的“+”相接，K1a端与控制功能扩展接线端子B的一端相接，另一端与交直流转换开关(3)中行输出变压器F2引脚相接。K1b端直接与F2引脚相接。

高压电学实验箱内部的输出端接线柱及扩展端口(4)包括有高压输出负载扩展板(Z)，脉冲高压发生器回路实验板(M).

高压电学实验箱内部的高压输出负载扩展板(Z)包括滑道(Z10)，绝缘板固定孔(Z9)，绝缘底板(Z8)、调节螺母(Z7)，移动式负载接线柱(Z5)，金属杆支架(Z1)，伸缩金属杆(Z4)、其中可以通过调节螺母(Z7)使移动式负载接线柱(Z5)在绝缘底板(Z8)的滑道(Z10)中滑动，以改变放电间距。移动式负载接线柱(Z5)中的一个与交直流转换选择电路(3)的HV相接，另一个与升压控制电路(2)中行输出变压器F5脚相接，金属杆支架(Z1)的Z5a端与移动式负载接线柱(Z5)的B端相接，伸缩金属杆(Z4)的A端与金属杆支架(Z1)的A端，可以进一步延伸电弧的轨迹。

高压电学实验箱内部的脉冲高压发生器回路实验板(M)包括绝缘底板(M1)、固定电阻(M2)，带金属边缘小孔(M3)，绝缘板固定孔(M4)，高压电容(C)和放电球(G)。放电球(G)的G2端插入带金属边缘小孔(M3)，高压电容(C)的一个C1引脚插入放电球(G)的G2端，整体电路的搭建如图三所示。电路完成后，每两个放电球(G)为一组，它们的G1端可以组成一个放电球隙，电容在电路中是以并联的形式存在。

附图说明

图1是实验箱系统结构框图

图2是实验箱的内部区域划分图

图3是实验箱内部主电路图

图4是冲击电压发生器电路图

图5是负载接线柱区域结构图

图6是脉冲高压发生器回路实验板结构图(正反面)

图7是部分元件图

其中：

1：电源 2：升压控制电路

3：交直流转换电路 4：输出端接线柱及扩展端口

具体实施方式

元件箱内有以下元件：高压电容器(C)12个，放电球(G)24个，带绝缘外皮铜导线1根，连接导线4根，放电铜导线2根，支架底座(Z1)2个，可伸缩金属杆(Z4)2根，输出端接线柱(Z5)2根，六角螺母(Z7)4个，电源线1根，铁扳手一个。

当插上接通电源时，主变压器将220V市电转化成24V交流电，再通过后面的整流滤波电路将其转化为直流电输送给升压电路。

升压电路中使用的升压元件是行输出变压器。当开关K1闭合时，行输出变压器F的F2脚接通24V，1.5A直流电源，电流由F2脚流向F1脚，此时三极管导通，在导通的瞬间，行输出变压器F的F3脚相当于接地，电势变为0，F1脚与F3脚之间会产生一个方向与原来相反的很大的感应电动势，电流由F1脚流向F3脚。此时，三极管截止，7脚电位升高而F1脚降低，所以电流又由F3脚流向F1脚，此时三极管Q1再次导通，以上过程重复进行，那么三极管进行周期性导通和截止，相当于从行输出变压器F的F1脚、F3脚输入了方波信号。根据电磁感应原理，行输出变压器F输出端产生交流高压。如果需要直流高压，那么将开关K2拨向2支路，经过高压硅堆整流，最终就会产生比较稳定的直流高电压；如需要交流高压，K2拨向1支路。最终，所获得的交流高压就可以通过输出端接线柱输出。

实验一：交流高压放电

1.通过调节六角螺母(Z7)的松紧，在槽(Z10)内调节两输出端接线柱(Z5)之间的距离至能够二者击穿之间的空气，固定六角螺母(Z7)。

2.K2拨向K2a，插上电源插头，

3.K1拨向K1a，观察两输出端接线柱(Z5)之间是否有连续电弧产生。

4.如果没有电弧产生，关闭K1，用元件箱(E)内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接触两输出端接线柱(Z5)放电，然后调节两输出端接线柱(Z5)之间的距离。

5.重复执行3，4直到出现理想电弧。

6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。

实验二：高压电弧的产生和消失

1.将可伸缩金属杆(Z4)插在支架底座(Z1)顶端(Z3)，支架底座(Z1)底端(Z2)固定在输出端接线柱(Z5)上；如实验一的方法，调节两输出端接线柱(Z5)之间的距离至能够击穿之间的空气；调节可伸缩金属杆(Z4)的长度。

2.K2拨向K2a，插上电源插头。

3.K1拨向K1a，观察两输出端接线柱(Z5)之间是否有连续电弧产生，如果有电弧，那么电弧将沿可伸缩金属杆(Z4)上升，当被拉长到一定长度后就会消失。而且只要不切断电源，电弧将不停地出现。

4.如果没有电弧产生，关闭K1，用元件箱内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接触输出端接线柱(Z5)放电，然后调节两输出端接线柱(Z5)之间的距离。

5.重复执行3，4直到出现理想电弧。

6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。

7.比较放电前后可伸缩金属杆(Z4)的温度变化情况。

8.拉长或缩短可伸缩金属杆(Z4)的长度，重复上述过程，观察实验现象的变化。

实验三：直流高压放电

2.K2拨向K2b，插上电源插头。

4.如果没有电弧产生，关闭K1，用元件箱内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接触两输出端接线柱(Z5)放电，然后调节两输出端接线柱(Z5)之间的距离。

5重复执行3，4直到出现理想电弧。

6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。

实验四：脉冲高压放电

如图4所示的脉冲发生电路采用Marx(马克思脉冲)发生器，是由多数个相同的电容C并联连接，在每两个电容C的各相并联端之间都接有一个阻值大于2MΩ的电阻(M2)，在每两个电容C的尾首之间都通过放电球隙G相连；

Marx发生器的基本原理是使电容C并联充电，再串联放电，从而实现电压的倍增。

当所加电压为+HV时，因为初始时放电球隙G并未被击穿，故而断路。所有的电容C并联在电源两侧。对于每一个电容C而言，如果充满电，其两端的电势差为+HV。当在+HV的电压作用下第一级放电球隙g击穿后，如图2，①②两点相当于导线连接，②处的电势瞬时变化和①相同，即从0变为+HV；③与②的电势差为+HV，故而③处电势变为+2HV；紧接着第二个放电球隙g击穿，④处电势由0变为+2HV，⑤处变为+3HV…依此类推，经过n次升压，在放电终端，电压升高为+nHV。从而在很短的时间内实现了电压的倍增。而且，因为图中电阻M2的阻值很大，为MΩ级，可以起到很好的隔离作用，使相邻各点之间的电势不会在短时间内相互影响。

1.将元件箱(E)内的电容和放电球(G)按照图三电路连接方式所示插在脉冲高压发生器回路实验板(M)的带金属边缘小孔(M3)上，回路的级数不限；放电导线一头夹在放电球竖直杆(G2)上，另一头悬空。

2.用两根导线将负载接线柱和冲击电压发生器回路连接起来，注意正负极对应。接地的接线柱上引出一根导线，引出端也悬空，并与放电导线的悬空端相距n至2n厘米(n为冲击电压回路的级数)；调节输出端接线柱(Z5)两放电极之间的距离至足够大。

3.K2拨向K2b，插上电源插头。

4.K1拨向K1a，观察整个电路放电球隙和放电终端(FD)的放电情况。如果没有电弧出现，关闭K1，按实验一第4步的方法调节实验仪器。

5.重复3，4直到出现闪电脉冲。

6.观察放电时指南针的指针变化。

实验五：特斯拉线圈放电，

在实验一的基础上，将负载接线柱作为点火球隙，自行设计试验准备器材，可以制作完成小功率的特斯拉线圈，进行放电实验。由于电源功率小，所以危险性大大减少。

扩展实验示例

1.将K1拨向2，可以在主电路的中断处连接继电器或其它控制设备，这样就可以自行设计电子开关控制电路的通断。

2.设计电路，检测闪电脉冲。

3.对闪电脉冲出现的次数进行计数。

4.将以上三者结合，设计脉冲计数控制电路。

Claims

1.一种高压电学实验箱，包括有输出端接线柱及扩展端口(4)，其特征在于，还设置有：交直流转换开关(3)，用于选择升压控制电路(2)所产生的高电压是以直流状态输出还是交流状态输出；升压控制电路(2)，用于将从电源(1)得到的幅值为24V直流电变换为8000V～10000V交流电；

2.根据权利要求1所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的交直流转换电路(3)包括有与高压生成电路(2)相连的单刀双掷开关K2，与K2b相连的高压硅堆D1，其中，所述的单刀双掷开关K2c端与升压电路(2)中行输出变压器F的输出引脚F4相连，所述的单刀双掷开关K2a端与输出端HV直接相连，所述的高压硅堆D1的正极连接单刀双掷开关K2b端，负极接输出端HV。

3.根据权利要求1所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的升压控制电路(2)包括有单刀双掷开关K1、控制功能扩展接线端子B、大功率晶体管Q1、限流电阻R1和行输出变压器F。其中，所述的大功率晶体管Q1的发射极接直流电源(1)的“-”端，集电极连接行输出变压器F输入端的F3脚，基极通过电阻R1连接行输出变压器F的F1脚；行输出变压器F的F4脚为输出端，连接K2c端，行输出变压器F的F5脚接地。所述的单刀双掷开关K1c端与电源(1)的“+”相接，K1a端与控制功能扩展接线端子B的一端相接，另一端与交直流转换开关(3)中行输出变压器F2引脚相接。K1b端直接与F2引脚相接。

4.根据权利要求1所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的输出端接线柱及扩展端口(4)包括有高压输出负载扩展板(Z)，脉冲高压发生器回路实验板(M).

5.根据权利要求1和权利要求4所述的高压电学实验箱，其特征在于，高压输出负载扩展板(Z)包括滑道(Z10)，绝缘板固定孔(Z9)，绝缘底板(Z8)、调节螺母(Z7)，移动式负载接线柱(Z5)，金属杆支架(Z1)，伸缩金属杆(Z4)、其中可以通过调节螺母(Z7)使移动式负载接线柱(Z5)在绝缘底板(Z8)的滑道(Z10)中滑动，以改变放电间距。移动式负载接线柱(Z5)中的一个与交直流转换选择电路(3)的HV相接，另一个与升压控制电路(2)中行输出变压器F5脚相接，金属杆支架(Z1)的Z5a端与移动式负载接线柱(Z5)的B端相接，伸缩金属杆(Z4)的A端与金属杆支架(Z1)的A端，可以进一步延伸电弧的轨迹。

6.根据权利要求1和权利要求4所述的高压电学实验箱，其特征在于，脉冲高压发生器回路实验板(M)包括绝缘底板(M1)、固定电阻(M2)，带金属边缘小孔(M3)，绝缘板固定孔(M4)，高压电容(C)和放电球(G)。放电球(G)的G2端插入带金属边缘小孔(M3)，高压电容(C)的一个C1引脚插入放电球(G)的G2端，整体电路的搭建如图三所示。电路完成后，每两个放电球(G)为一组，它们的G1端可以组成一个放电球隙，电容在电路中是以并联的形式存在。